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船用柴油机百年发展简史

引自霹雳贝贝

一．柴油机的诞生

自从18世纪末瓦特改良蒸汽机以来，蒸汽机成为推动世界发展的动力。

1805年，富尔顿发明了实用的蒸汽机船，从此以后很多船舶开始用上

了蒸汽机。不过早期的蒸汽机工作压力很低，结构极其笨重，效率不到

5%。19世纪初，改进蒸汽机，提高热效率就成为许多科学家和工程师

毕生追求的目标。法国人萨迪.卡诺（SadiCarnot，1796-1832）就是

其中杰出的代表。卡诺认为，要想改进热机，只有从理论上找出依据。

因此他从热力学理论的高度着手研究热机效率，提出了著名的卡诺循“

环”。

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图1.1热力学大师萨迪.卡诺

图1.2“卡诺循环”P-V（压力-体积）图

卡诺循环“”是一个理想的过程，分四个阶段。1-2，可逆等温膨胀过程。

2-3，等熵膨胀过程。3-4，可逆等温压缩过程：4-1，等熵压缩过程。

工质经过这四个过程循环后，吸收能量，对外做功，随后又回到原来的

状态。卡诺循环只是一个理想状态的热机，现实中没有任何热机的效率

可以达到卡诺热机的效率，但它却为分析热机效率提供了基础的方法。

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从卡诺循环的分析可以看出，增大工质循环的初始温度与循环终了温度

之间的差值，是提高热机效率最为简便的途径。迄今为止，热机效率所

有重大的提升和改进都是在这个准则指导下进行的。

有了理论指导后，蒸汽机功率和效率都得以提高，这种提高主要

取决于蒸汽参数的提高。初期蒸汽机的蒸汽压力仅为0.11～0.13兆帕

（一标准大气压=0.101325兆帕，仅相当于大气压）。19世纪初蒸汽

压力达到0.35～0.7兆帕，到1840年，最好的凝汽式蒸汽机总效率已

经能达到8%。随着蒸汽参数和功率的提高，蒸汽已不可能只在一个汽

缸中膨胀，必须在相连的汽缸中继续膨胀，于是出现了多级膨胀的蒸汽

机。由于蒸汽机受到润滑油闪点的限制，所用蒸汽的最高温度一般都不

超过400℃。机车，轮船等移动式蒸汽机的工作温度还要略低一些，多

数不高于350℃。考虑到膨胀的可能性和结构的经济性，常用蒸汽压力

在2.5兆帕以下。由于蒸汽参数受到限制，从而也限制了蒸汽机功率和

效率的进一步提高。

为了避免蒸汽机粗大笨重、结构复杂、难以小型化的缺点，欧洲

的发明家们纷纷开始研究新型热机。德国工程师奥托（N.AOtto

1832~1891）通过效仿卡诺循环的研究方法，提出了奥托“循环”，即定

容加热循环原理。奥托“循环”的基本工作原理为，将可燃气体在气缸中

压缩，再点燃压缩可燃气体，产生很强的推力，从而提高热效率和输出

功率。奥托创建的内燃机工作原理一直在现代汽车发动机（汽油机）上

沿用至今。1876奥托的第一台内燃机为单缸卧式，功率3.2千瓦（4.4

马力），四冲程，转速为156转/分，压缩比为2.66，热效率达到14%，

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大大超过了蒸汽机。不过当时石油工业还处于襁褓时期，更谈不上汽油

（第一台汽油机还要等到18